«Через 300 метров поверните налево…»— услышав такую фразу, водитель авто готовится сделать простое действие, призванное изменить направление движения его железного коня. А именно, всего лишь повернуть руль. Если бы его спросили, как это действие работает с точки зрения физики, то скорее всего прозвучал бы ответ:
Проверим, так ли это.
В чём сила, брат?
Вот наш заднеприводный БээМВэ спокойно едет1 по прямой. В горизонтальной плоскости на него действует всего 2 вида сил:
Баварские лошадки на изи уравновешивают силу трения 19-дюймовых тапок Мишлен, и общая сумма силы тяги двигателя и сил трения равна нулю. Но вдруг из кустов выскакивает натуральный олень:
Водитель, обладая реакцией мангуста, мгновенно выкручивает баранку влево и…
Сумма сил не изменилась! И вот почему:
- сила трения направлена противоположно движению;
- авто по-прежнему движется вперёд;
- значит, сила трения по-прежнему направлена назад.
Если бы привод был передним, то с поворотом колёс изменилось бы направление приложенной к колёсам силы тяги двигателя, которая потащила бы за собой авто. Но какая магическая сила тащит за собой вбок заднеприводный авто?
Раскладываем по полочкам
Продвинутые читатели скорее всего вспомнят, что любой вектор можно разложить на составляющие по выбранным осям координат. Давайте попробуем сделать это с передним левым колесом во время поворота.
Смотрите-ка, одна из составляющих силы трения (Fтр_х) направлена в нужную нам сторону (влево)! Вот только её по-прежнему уравновешивает вторая составляющая (Fтг_х). В чём же подвох?
А давайте посмотрим на реальное колесо, которое состоит из жёсткого диска2 и упругой резиновой шины. Как и любое резиновое изделие, шина под действием силы деформируется и пытается в ответ деформировать обидчика своей силой упругости.
В нашем случае диск за счёт силы тяги тянет внутреннюю часть шины вперёд, а сила трения наоборот приложена к внешней части шины и тянет её назад. Если мы посмотрим на шину в сторону её вращения (по направлению оси y на рисунке), то увидим следующее:
Из-за этой деформации в стенке шины возникает упругая сила: сжатая резина стремится вернуться в исходное состояние. А так как диск надёжно прикреплён к стенке шины, то упругая сила тащит его (и весь кузов машины) за собой- в сторону поворота!
Кстати, посмотрим, как эта деформация выглядит в реальности:
Вся эта движуха заканчивается только тогда, когда исчезает перпендикулярная колесу сила трения о дорогу. А исчезает она в момент, когда колёса машины снова вернутся в положение по направлению движения- то есть когда поворот закончен!
Послесловие
Какие выводы можно сделать из всей этой физики? Например, такой: автомобиль с идеально жёсткими (как булочка в школьной столовой) колёсами не смог бы поворачивать! Колесо не деформируется, а значит не возникает упругой силы, которая тащит кузов автомобиля вбок. По сути в этой гипотетической ситуации колёса и кузов автомобиля это единое целое, как кусок железа, преодолевающий общую для всех его элементов силу трения, направленную против движения.
Кстати, передние колёса в этом случае перестали бы вращаться
Да, в действительности свободное3 колесо вращается лишь за счёт того, что сила трения о дорогу заставляет его это делать. Причём важнейшим условием является то, что направление вектора скорости центра колеса должно совпадать с плоскостью вращения. Как только это условие нарушится, возникнет сила, тормозящая вращение колеса!
Проиллюстрировать её достаточно сложно, т.к. для этого надо разобраться с ещё одним понятием: момента силы, который направлен перпендикулярно приложенной силе. Это довольно контринтуитивная абстракция, которую лучше всего познать на примере с гироскопом.
Подытожим: сермяжная правда в том, что наши железные кони поворачивают за счёт упругости их шин! Хотя поначалу кажется очевидным, что машина стремится поехать по тому пути, в направлении которого её колёсам легче вращаться. Но выходит, что вращение колёс- это следствие, а не причина, да и Вселенная не рассуждает так: «Ага, колёсам легче вращаться, когда машина поедет влево, поэтому надо её туда повернуть!»— она просто применяет к нашей машинке уже сложившиеся физические силы и выдаёт нам результат.
Желающие подробнее обсудить тему или накидать автору продолговатых предметов- жду в комментах! 🙂
